CC BY
104
2006
НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА серия Аэромеханика и прочность
№ 97
УДК 553.629
МЕТОДИКА РАСЧЕТА АЭРОДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК САМОЛЕТА С УЧЕТОМ ВИХРЕВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ, ОБУСЛОВЛЕННОГО РЕЛЬЕФОМ МЕСТНОСТИ
А.И. ЖЕЛАННИКОВ, С. М. ЕРЕМЕНКО, С.И. НЕКРАХА
Описывается методика расчета аэродинамических характеристик самолета с учетом вихревого воздействия, обусловленного рельефом местности. Приводятся результаты расчета обтекания конкретных участков местности, а также расчеты аэродинамических характеристик самолета при полете вблизи этих участков.
На практике часто встречаются задачи, когда необходимо оценить влияние вихревого следа на аэродинамические характеристики самолета от рельефа местности или от наземных сооружений. Например, при взлете или посадке самолета, или при пролете самолета вблизи горных массивов, в ущельях и т.д. Для решения таких задач разработана методика расчета аэродинамических характеристик самолета в вихревом следе от рельефа местности, блок-схема которой представлена на рис. 1. В основе предлагаемой методики лежит метод дискретных вихрей.
Рис. 1. Блок-схема методики расчета аэродинамических характеристик самолета с учетом вихревого воздействия, обусловленного рельефом местности
Задача решается в два этапа.
На первом этапе моделируется обтекание рассматриваемого участка местности, рис. 2. Для
этого реальный участок местности схематизируется тонкими элементами (поверхностями) в точности повторяющими геометрию реального участка. На этих поверхностях располагаются замкнутые четырехугольные вихревые рамки, циркуляции которых неизвестны, рис. 3.
Рис. 2. Пример реального участка местности
Рис.3. Схематизация реального участка местности
Места отрыва потока фиксируются, и с них моделируется сход вихревой пелены. Эти места определяются из реальных условий обтекания, взятых из практики. При выполнении граничного условия о непротекании поверхностей, задача сводится к решению системы линейных алгебраических уравнений относительно неизвестных циркуляций вихрей. Нестационарная задача решается по временным шагам до наперед заданного расчетного шага. Затем по формуле Био-Савара рассчитываются поля возмущенных скоростей.
На рис. 4 представлены результаты расчета обтекания рельефа местности, представленного на рис. 2 при t = 3,3, где t = t/h. Здесь t - время, h - высота возвышенностей. В работе высота всех трех возвышенностей принималась одинаковой.
На рис. 5 и 6 показаны поля возмущенных скоростей в сечении S, обозначенном на рис. 4, в моменты времени t = 0,15 и 3,3.
Видна динамика развития и изменения картины течения в рассматриваемом сечении.
к
Рис. 4. Пример моделирования обтекания участка местности
Рис. 5. Поля возмущенных скоростей в момент времени х = 0,15
На втором этапе моделируется обтекание летательного аппарата в рассчитанных полях возмущенных скоростей. Для этого используется математическая модель нестационарного обтекания самолета, которая также базируется на методе дискретных вихрей. Реальный самолет в расчетах заменяется схематизированной моделью. В данной работе использовалась схематизация первого уровня, т.е. схематизация осуществлялась только тонкими пластинами, рис. 7. Это оправдано тем, что здесь рассчитываются только суммарные аэродинамиче^
Рис. 6. Поля возмущенных скоростей в момент времени X = 3,3
Рис. 7. Схематизированная модель самолета для расчета аэродинамических характеристик
в поле возмущенных скоростей
кие характеристики. При этом используются две гипотезы: гипотеза "замороженности" полей скоростей и гипотеза отсутствия влияния самолета на поля возмущенных скоростей. Учет влияния внешних полей возмущенных скоростей осуществлялся через правые части при решении системы линейных алгебраических уравнений, а также при расчете скоростей при выстраивании вихревой пелены и при расчете нагрузок. На рис. 8 и 9 представлены результаты расчета коэффициента подъемной силы и коэффициента момента крена в зависимости от расстояния и высоты полета. Было принято, что высота возвышенностей равнялась 500 м, а траектория полета проходила между двумя горными вершинами с уходом самолета влево от третьей возвышенности.
Расчеты показывают, что вихревой след от препятствий может оказывать существенное влияние на аэродинамические характеристики самолета. В некоторых случаях парирование возникающих моментов потребует больших расходов рулей.
СУа
' 5 0 10 00 15 00 Ь, м
-®- Н=250м Н=375 м Н=125м
Рис. 8. Зависимость коэффициента подъемной силы от расстояния и высоты полета
Н=250 м
-А- Н=375 м
— Н=125 м
Рис. 9. Зависимость коэффициента момента крена от расстояния и высоты полета
ЛИТЕРАТУРА
1. Аубакиров Т.О., Белоцерковский С.М., Желанников А.И., Ништ М.И. Нелинейная теория крыла и ее приложения. - Алматы, Гылым, 1997.
2. Белоцерковский С.М. Тонкая несущая поверхность в дозвуковом потоке газа. - М..: Наука, 1965.
3. Белоцерковский С.М., Ништ М.И. Отрывное и безотрывное обтекание тонких крыльев идеальной жидкостью. - М.: Наука, 1978.
4. Белоцерковский С.М., Лифанов И.К. Численные методы в сингулярных интегральных уравнениях и их применение в аэродинамике, теории упругости, электродинамике. - М.: Наука, 1985.
5. Бушуев В.И., Ганиев Ф.И., Локтев Б.Е., Ништ М.И., Шамшурин А. Д. Аэродинамическая компоновка и характеристики летательных аппаратов. - М.: Машиностроение. 1991.
6. Вайникко Г.М., Лифанов И.К., Полтавский Л.Н. Численные методы в гиперсингулярных интегральных уравнениях и их приложения. - М.: ТОО "Янус-К", 2001.
7. Вышинский В.В. Вихревой след самолета, безопасность полета и кризис аэропортов. - М.: Полет, ЦАГИ, 1998.
8. Головнев А.В., Желанников А.И., Еременко С.М., Некраха С.И. Учет земли при расчете нестационарного обтекания летательных аппаратов / Материалы XVI школы-семинара "Аэродинамика летательных аппаратов". - М.: ЦАГИ, 2005.
9. Гуляев В.В., Демченко О.Ф., Долженков Н.Н., Матвеев А.И., Подобедов В.А., Попов В.М. Математическое моделирование при формировании облика летательного аппарата. - М.: Машиностроение, 2005.
10. Желанников А.И. Вихревая опасность // Вестник академии наук авиации и воздухоплавания. - М., 2003. - № 2.
11. Калугин В.Т. Аэрогазодинамика органов управления полетом летательных аппаратов. - М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2004.
12. Крицкий Б.С. Моделирование ближнего следа за несущим винтом // Научный Вестник МГТУ ГА, серия Аэромеханика и прочность, № 37, 2001. С. 81 - 86.
13. Лифанов И.К. Метод сингулярных интегральных уравнений и численный эксперимент. - М.: ТОО Янус, 1995.
14. Морозов В.И., Пономарев А.Т., Рысев О.В. Математическое моделирование сложных аэроупругих систем. - М.: Физматлит, 1995.
15. Радциг А.Н. Экспериментальная гидроаэродинамика. - М.: МАИ, 2004.
16. Ципенко В.Г. Применение математического моделирования и теоретических методов при анализе особых случаев взлета и посадки воздушных судов: Дисс. на соискание уч. степ. д-ра техн. наук. - М., 1987.
THE PROCEDURE OF CALCULATION OF AERODYNAMIC PROPERTIES OF AN AEROPLANE WITH ALLOWANCE FOR OF VERTICALS EFFECT STIPULATED BY A CONTOUR OF TERRAIN
Zhelannikov A.I., Eremenko S.M., Nekracha S.I.
The procedure of calculation of aerodynamic properties of an aeroplane with allowance for of verticals effect stipulated by a contour of terrain is described. The outcomes of calculation of flow of concrete sites of terrain, and also calculations of aerodynamic properties of an aeroplane are resulted at flying near to these sites.
Сведения об авторах
Желанников Александр Иванович, 1948 г.р., окончил ВВИА им. Н.Е. Жуковского (1971), доктор технических наук, профессор, начальник кафедры аэродинамики ВВИА им. Н.Е. Жуковского, академик Академии наук авиации и воздухоплавания, автор более 150 научных работ, область научных интересов - гидроаэродинамика, численные методы в аэрогидродинамике и спутные следы.
Еременко Сергей Михайлович, 1958 г.р., окончил Даугавпилсское ВВАИУ (1981), кандидат технических наук, преподаватель кафедры аэродинамики ВВИА им. Н.Е. Жуковского, автор 24 научных работ, область научных интересов - численные методы в аэрогидродинамике и спутные следы.
Некраха Сергей Игоревич, 1959 г.р., окончил Харьковский авиационный институт и ВВИА им. Н.Е. Жуковского (1982), начальник факультета летательных аппаратов ВВИА им. Н.Е. Жуковского, автор 7 научных работ, область научных интересов - численные методы в аэрогидродинамике и спутные следы.
